[논문 리뷰] Leptogenesis at Low Scale

Lotfi Boubekeur|ArXiv.org|2002. 08. 01.

Fractal and DNA sequence analysis참고 문헌 1인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 중력보 과잉 생성 한계와 열적 RHN 생성에 필요한 고온 재열 온도 사이의 갈등을 해결하기 위해 온도 범위가 TeV인 열적으로 생성된 오른쪽 회전 뉴트리노(RHN)를 통한 저스케일 렙타젠레시스를 제안한다. 이는 유클리드 쿠라타-얀아가다 붕괴 메커니즘과 앤플렉-딘 평탄한 방향 렙타젠레시스가 모두 CP 비대칭이 충분히 존재하는 조건에서, 재열 온도가 10^9 GeV까지 낮아도 관측된 양성자 비대칭을 생성할 수 있음을 보여준다. 이는 양성자-엔트로피 비율 $Y_B \approx 7.2 \times 10^{-11}$ 을 달성하기 위해 양성자 비대칭이 충분히 유지되도록 하기 위해 양성자 쿠파 상수를 억제하고, A-항 또는 RHN의 디제너레이션을 통해 CP 비대칭을 증폭시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

A typical problem of the leptogenesis scenario is the mismatch between the maximum reheat temperature implied by gravitino overproduction bound and the minimum temperature required to create thermally the lightest right-handed neutrino. We explore the possibility of baryogenesis via leptogenesis in the presence of low scale mass right-handed neutrino. In such a scenario, right-handed neutrinos are created thermally at low reheat temperatures without relying on non-perturbative production mechanisms. We focus on two specific realizations of the scenario, namely the out-of-equilibrium decay of right-handed neutrinos (Fukugita-Yanagida) and the leptogenesis via the $LH_u$ flat direction (Affleck-Dine). We find that in general, the two scenarios are able to produce the required baryon excess for a reasonable amount of CP violation.

연구 동기 및 목표

• 중력보 과잉 생성 한계(재열 온도를 약 10^6–10^9 GeV로 제한)와 열적 중량 RHN 생성에 필요한 고온 재열 온도(~10^10 GeV) 사이의 갈등을 해결하기 위함.
• RHN이 낮은 질량(TeV 스케일)을 가지며, 비초기 또는 비열적 생성 메커니즘에 의존하지 않고도 성공적인 렙타젠레시스가 가능할지 조사하기 위함.
• 저스케일 시-소 프레임워크 내에서 두 가지 다른 렙타젠레시스 메커니즘—RHN의 비평형 붕괴(Fukugita-Yanagida)와 앤플렉-딘 평탄한 방향 붕괴—를 탐구하기 위함.
• 낮은 재열 온도 조건에서 관측된 양성자-엔트로피 비율 $Y_B \approx 7.2 \times 10^{-11}$ 을 생성하기 위해 충분한 CP 비대칭이 생성될 수 있는지 확인하기 위함.

제안 방법

• RHN 질량이 TeV 범위에 있는 저스케일 시-소 모델을 수립하여, 렙타젠레시스를 위한 비평형 조건을 자연스럽게 만족시키는 억제된 양성자 쿠파 상수를 도출한다.
• 표준 푸쿠기타-얀아가다 메커니즘을 사용해 RHN의 비평형 붕괴를 분석하고, CP 비대칭 매개변수와 RHN 붕괴 비율에 따라 렙타젠레시스 비대칭을 유도한다.
• 앤플렉-딘 메커니즘을 고려하여 렙타젠레시스를 지닌 스칼라 응축체의 진동을 기술하는 운동 방정식 $\dot{n}_L + 3Hn_L = \text{Im}[\varphi \partial V/\partial \varphi]$ 를 모델링하며, $H \sim m_{3/2}$ 일 때 진동이 유도됨을 분석한다.
• 응축체 역학에 열 보정을 통합하고, 저스케일 시-소 근사에서 최종 렙타젠레시스 비대칭을 $n_L/s \approx \frac{1}{12} (T_{\text{RH}}/H_{\text{osc}}) \delta_{\text{eff}}$ 로 유도한다.
• 중력 매개 SUSY 붕괴를 통해 소프트 $A$-항을 $a_m \sim \lambda m_{3/2}$ 로 모델링하여, 작은 효과적 매개변수 조건에서도 CP 비대칭을 가능하게 한다.
• 스파일러론 전이를 통해 유도된 양성자 비대칭을 평가하며, 관측된 $Y_B$ 와 일치하기 위해 $n_L/s \sim 10^{-10}$ 이 필요하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^10 GeV 이하의 재열 온도에서 중력보 과잉 생성 문제를 피하면서도 성공적인 렙타젠레시스가 달성될 수 있는가?
• RQ2 억제된 양성자 쿠파 상수를 가진 저스케일 시-소 모델에서 충분한 CP 비대칭을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 RHN이 가볍고 재열 온도가 낮을 경우 앤플렉-딘 평탄한 방향 메커니즘이 필요한 양성자 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ4 소프트 SUSY $A$-항은 저스케일 렙타젠레시스에서 CP 비대칭을 어떻게 증폭시키는가?
• RQ5 비초기 또는 비열적 생성 메커니즘에 의존하지 않고, TeV 스케일 RHN의 열적 생성을 통해 관측된 양성자 비대칭을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 필요한 양성자 비대칭 $Y_B \approx 7.2 \times 10^{-11}$ 은 RHN의 비평형 붕괴를 통해 TeV 스케일 오른쪽 회전 뉴트리노로 생성될 수 있으며, 이는 RHN의 디제너레이션 또는 $A$-항 기여로 인해 $\delta_{\text{eff}} \sim 10^{-9} - 10^{-10}$ 수준의 효과적 CP 비대칭 매개변수가 확보될 경우 가능하다.
• 저스케일 시-소 모델에서 효과적 CP 비대칭 매개변수 $\delta_{\text{eff}}$ 는 소프트 $A$-항에 의해 증폭되며, 이로 인해 $T_{\text{RH}} \sim 10^9$ GeV 조건에서도 $n_L/s \sim 10^{-10}$ 이 달성된다.
• 앤플렉-딘 메커니즘의 경우 렙타젠레시스 비대칭은 $n_L/s \approx \frac{1}{12} (T_{\text{RH}}/H_{\text{osc}}) \delta_{\text{eff}}$ 로 주어지며, $H_{\text{osc}} \sim m_{3/2}$ 이고 $T_{\text{RH}} \sim 10^9$ GeV 이면, $\delta_{\text{eff}} \sim O(1)$ 수준에서 관측된 비대칭을 달성할 수 있다.
• 낮은 $T_{\text{RH}}$ 조건에서 중력보 과잉 생성이 방지되며, RHN이 안정하거나 붕괴할 경우 핵합성에 영향을 주지 않기 때문에 빅뱅 핵합성(BBN) 및 암흑물질 제약 조건과 일관된다.
• 이 틀 안에서 $T_{\text{RH}} \sim 10^9$ GeV 수준의 RHN 열 생성은 타당하며, 비초기 또는 비열적 생성 메커니즘을 필요로 하지 않는다.
• 저스케일 시-소 모델에서의 양성자 쿠파 상수 억제는 렙타젠레시스에 필수적인 비평형 조건을 자연스럽게 만족시킨다.